二、相关基础研究
（一）椎体成形术与后凸成形术的生物力学基础
椎体发生骨质疏松或受溶骨性肿瘤、椎体血管瘤等侵袭后，椎体的机械力学强度下降，在轻微的外力，甚至无明显诱因的情况下，便可出现病理性椎体压缩骨折。Homminga等对骨质疏松椎体的有限元模型分析研究发现骨质疏松使骨小梁发生骨折的危险性明显增加，正常椎体有1%的骨折危险，而对于骨质疏松的椎体则增加到16%。经皮椎体成形术和经皮椎体后凸成形术通过注入骨水泥来恢复椎骨的生物力学特性，致力于增加椎体的强度，恢复或提高椎体的刚度来解决椎体的脆性骨折，而且较药物治疗更为直接。Tohmeh等从10具患有骨质疏松症患者的尸体脊柱上取新鲜椎体（L2～5）进行PMMA注射加固后，测试其生物力学特性，证明经处理后的椎体保留了原有的硬度，而耐压力及强度均有明显增强。国内研究表明，椎体内注射自固化磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）能显著恢复骨折椎体的力学性质。也有学者对锶羟基磷灰石（Sr hydroxyapatite ceramic，SrHAC）生物活性骨水泥进行了系列的生物力学研究，发现其亦能恢复骨折椎体的力学性能。
图3-1 球囊
A.经皮椎体后凸成形术；B.Vessel-X-骨材料填充器。
（二）椎体内骨水泥灌注量与生物力学
目前的研究认为骨水泥量越大，椎体的强度增强越好。Liebschner等在对椎体内骨水泥灌注量与椎体生物力学特性的关系进行了一项有限元的分析研究。作者对第1椎体做出压缩骨折模型，然后灌注不同体积的骨水泥。结果发现仅灌注相当于椎体15%体积或3.5mL的PMMA就可以将骨折椎体的强度恢复到完整椎体的水平，而灌注相当于椎体30%体积或7mL的PMMA后，椎体的强度比制模前增加了50%。Belkoff等在体外的生物力学研究发现，在胸椎体中仅注射2mL PMMA骨水泥或Othocomp骨水泥就足以恢复椎体的强度，但要恢复椎体的刚度，在椎体需要注射PMMA骨水泥4mL或Othocomp骨水泥6mL。Lim等将胸椎椎体制成了压缩高度为50%的骨折模型。通过双侧椎弓根向椎体内灌注6mL的CPC或PMMA均可使骨折的椎体恢复到椎体制模前骨质疏松完整椎体的破坏力量水平，且均可明显的增强骨折椎体的强度。
（三）椎体内骨水泥分布与生物力学
在临床实际应用中，使用双侧灌注还是单侧部分灌注对骨水泥在椎体内的分布有着决定性的作用。Tohmeh和Steinmann等在椎体骨质疏松骨折模型中对单侧和双侧经椎弓根椎体成形术进行了比较，证实双侧椎体成形后的椎体虽然强度高于单侧成形的椎体，但单侧椎体成形椎体也能有效恢复椎体的生物力学特性，尤其是当骨水泥的分布越过椎体的正中线时。研究证实，仅2～3mL或约16.2%椎体体积百分比的骨水泥量即可恢复椎体的强度，而椎体的刚度恢复则需要4～6mL或29.8%椎体体积百分比的骨水泥量。也有研究发现，单侧穿刺和双侧穿刺均能对椎体的生物力学性能有所恢复，而双侧穿刺获得更好的骨水泥分布，对椎体刚度的修复优于单侧穿刺。(https://www.daowen.com)
（四）椎体成形的止痛机制
椎体骨折后的疼痛被认为是由椎体内的微骨折或骨折线微动对椎体内的神经末梢产生刺激引起的，部分学者认为椎体骨质疏松楔形压缩致脊神经后支牵张也是引起疼痛的原因之一。行经皮椎体成形后，许多患者的疼痛得到了缓解，几乎所有的临床结果都显示，不论是治疗骨质疏松性压缩骨折还是陈旧性胸椎体骨折患者，疼痛的缓解率均高达90%，其原因目前尚无肯定的解释，可能如下。
（1）椎体内的微骨折在椎体成形术后得以稳定。
（2）骨水泥承担了相当部分轴向应力，从而减少了骨折线的微动对椎体内神经的刺激。
（3）椎体内感觉神经末梢被填充物的化学作用破坏。
在椎体肿瘤方面，注入骨水泥后，其机械作用可使局部血流中断，其化学毒性作用及聚合热还可使肿瘤组织及其周围组织的神经末梢坏死而达到止痛的效果，甚至在某种意义上讲具有一定程度的杀死肿瘤细胞的作用。
（五）填充物的研究进展
目前临床上最为常用的填充物是PMMA骨水泥。它具有可注射性好，生物力学强度高等优点。但是它有凝固时放热，释放毒性单体，无生物活性，不可生物降解等缺点。因此，PMMA并非理想的椎体成形填充材料。新开发应用生物活性的磷酸钙骨水泥（calcium acid phosphate，CPC）和硫酸钙骨水泥（calcium sulfate，CSC）虽然纠正了PMMA的众多缺点，但其显影效果未达理想，力学强度欠佳及远期疗效不确切等不足，这将会使其在椎体成形术中的应用受到一定的限制。因此，研究开发出一种具有良好的力学强度、生物相容性、骨传导性、可吸收性、可注射性及凝固温度低、显影清晰的理想填充物仍然是今后的一项重要课题。笔者分别对锶羟基磷灰石（SrHAC）生物活性骨水泥与树脂-羟基磷灰石骨水泥配比不同比例显影剂进行了生物力学研究，发现两种骨水泥均能对椎体的力学性能有所恢复，同时锶羟基磷灰石骨水泥具有促进骨形成的优点，而配合一定比例显影剂的树脂-羟基磷灰石骨水泥具有显影效果好、可注射性强、热量低、机械强度较高等优点。